1. 引言
自1958年新疆克拉玛依油田至独山子炼油厂147.2 km的首条油气长输管道建成以来，水工保护贯穿油气管道设计、施工及运营全生命周期，油气管道高压易燃易爆、埋深较浅、管道壁厚较薄，决定了水工保护不利对管道的危害有其特殊性，有时小规模的自然动力作用也可能造成重大灾难[1]。然而，已实施的水工保护设计与施工能否达到预期效果，方案是否充分发挥防护功能，仍需系统性验证。基于此，亟需对已建成并运营的油气管道开展调研分析，总结实践经验，为后续水工保护设计提供科学指导与优化路径。
2. 调研方法
本次调研聚焦中国西部甘肃、青海境内油气管道，该区域以黄土、湿陷性黄土、戈壁、山区、高原地貌为主，地形复杂且生态脆弱：
1) 湿陷性的黄土含有大量的以粗粉粒为核心的多孔隙架构[2]，管道易受雨水冲刷导致悬空；
2) 地质灾害频发，主要的地质灾害有滑坡、崩塌、地面沉降、河道穿越失稳、水工保护失效等威胁管道安全[3]-[5]，尤其是黄土地区，相对于砂土同等滑坡位移，管道在黄土的位移要大于砂土，位移变形更大，管道更危险[6]；
3) 昼夜温差大、冻融循环频繁，易造成水工保护设施开裂破损。针对上述难题，水工保护多采用柔性材料与工艺，以增强设施适应性与稳定性。
本次调研选取39个典型点位，系统分析不同地质、地形、地貌条件下水工保护效果，深入剖析各区域特点，提出优化方案，并明确后续设计需重点关注的关键环节，为提升区域油气管道水工保护水平提供科学依据。
3. 调研成果分析
本次调研选取了挡墙/锚索格构 + 护坡 + 排水沟、坡底挡墙 + 截水墙 + 排水渠、陡坡浇筑、台地排水沟、大型河流开挖穿越水保方案共5处水工保护典型案例，系统梳理以往项目中水工保护方案的设计思路与技术参数，结合工程运营期监测数据开展效果评估。通过分析柔性材料应用中的成功经验与现存问题，针对性提出优化改进方案，并总结形成后续设计阶段需重点关注的技术要点与风险控制措施。
3.1. 挡墙/锚索格构 + 护坡 + 排水沟
挡墙 + 护坡 + 排水沟为较短陡坡常采用的水工保护方式，根据本次调研，以图1所示为例，黄土陡坎地区广泛应用的水工措施包含干砌石挡墙、浆砌石护坡及坡面纵向排水沟等结构。其中，干砌石挡墙充分利用施工过程中的石块，通过自身重力有效抵御土体侧向压力，防止边坡发生滑坡、坍塌等失稳现象，从而维持地形地貌的稳定性；浆砌石护坡则通过加固土体表面，形成防护屏障，抵御雨水的冲刷与侵蚀；坡面纵向排水沟系统旨在构建完善的排水网络，排除坡体积水，避免因土壤含水量饱和导致抗剪强度降低，进而保障坡体稳定。
然而，实际调研中发现，该水工措施存在部分缺陷。坡面纵向排水沟因汇水能力不足，难以满足极端降雨条件下的排水需求，导致排水沟结构遭受损毁，进而引发坡面水毁。以图1所示为例，2022 年强降雨致使左侧排水沟因汇水量过大而冲毁，进而造成周边坡面大面积损毁约60%。
为提升水土保持效果，建议在设计阶段优化排水系统：于坡顶增设截排水沟，有效拦截并引排坡顶径流，减少坡面汇水量；在坡面增设横向排水沟，与纵向排水沟形成立体排水网络，分片截排坡面水流、提高排水效率，降低因积水引发的坡面损毁风险，从而实现对黄土陡坎地区的有效水土保持。
Figure 1. On-site effect diagram of dry stone retaining wall at slope foot + mortar stone slope protection + longitudinal drainage ditch on slope surface in loess steep slope area
图1. 黄土陡坎地区坡脚干砌石挡墙 + 浆砌石护坡 + 坡面纵向排水沟现场效果图
图2所示工程采用了较为系统的水保防护体系，涵盖锚索格构防护工程、混凝土护坡、顶部及两侧截排水渠 + 两级防冲墙及过水面结构。该方案通过锚索格构增强坡体锚固力，混凝土护坡抵御坡面冲刷，截排水渠疏导地表径流，防冲墙降低水流侵蚀，形成了综合性防护架构。
但现场调研结果显示，该防护体系存在隐患。纵向排水渠底部因长期受集中径流冲刷，结构完整性遭到严重破坏，其损毁状态已对锚索格构及混凝土护坡的基础稳定性产生不利影响；右侧排水沟存在衔接设计缺陷，致使最下层混凝土护坡处水流无法按设计路径汇入排水沟，水流漫溢现象加剧了局部坡面的冲刷破坏，进而威胁到整个防护工程的结构安全。
为消除上述隐患，提出以下优化建议：首先，针对损毁的纵向排水渠，需对渠底及周边土体进行分层夯实处理，增强基础承载能力与抗冲刷性能，并重新修建排水渠，优化渠底结构设计，采用高强度混凝土或增设防冲刷护面；其次，在横向排水沟系统优化中，应严格把控各排水单元的衔接精度，通过设置标准化接口、措施，确保排水网络的连贯性，从而提升整体排水效能，保障水保工程长期稳定运行。
Figure 2. On-site effect diagram of anchor cable lattice protection + concrete slope protection + intercepting and drainage ditches set on both sides and top
图2. 锚索格构防护 + 混凝土护坡 + 两侧及顶部设置截排水渠现场效果图
3.2. 坡底挡墙 + 截水墙 + 排水渠
在高长陡坡区域，坡底挡墙、爬坡截水墙(必要时增设挡墙)与排水渠的组合，是当前应用最为广泛的水工保护措施，也是黄土冲沟地区管道开挖敷设的优选方案。该措施通过构建立体防护体系，有效拦截坡面径流、稳固坡体结构，对保障管道安全运行具有显著成效。
然而，现场调研数据显示，针对长距离高陡边坡，经长期运营后，现有水工保护体系逐渐暴露出防护效能下降的问题。以图3所示工程为例，项目采用三道浆砌石挡墙、两道混凝土挡墙，配套设置排水渠与截水墙，但当前浆砌石挡墙已全部被坡体覆盖，第一道混凝土挡墙亦被完全掩埋，第二道混凝土挡墙覆盖面积达85%。尽管现阶段尚未出现滑坡险情，但随着坡体结构持续弱化，若遭遇极端气象条件或地质活动，极有可能诱发滑坡等地质灾害，对管道安全运行构成重大威胁。目前建设单位采取的“问题发生后停输降压”应急处置方案，仅能降低灾害发生时的次生风险，无法从根本上消除隐患。
为有效防范地质灾害对管道的潜在威胁，提出以下优化建议：其一，针对地质灾害高发、坡体破碎的山体，优先采用定向钻等非开挖敷设技术，从源头上规避开挖施工对坡体稳定性的破坏，降低地质灾害发生概率；其二，若受工程条件限制无法采用非开挖方式，需完善边坡安全监测体系，在关键部位增设滑坡监测设备，实现坡体位移、含水率等数据的实时动态监测；同时，合理加密截水墙布设密度，增强坡体径流拦截能力，优化排水系统效能，并补充水土保持措施，如铺设草地，根据赵珊研究发现草地雨后平均含水量为雨前的1.57倍，抗剪强度下降8.76% [7]，可进一步提升坡体整体稳定性，确保管道全生命周期安全运行。
Figure 3. On-site effect diagram of slope bottom retaining wall + cut-off wall + drainage ditch
图3. 坡底挡墙 + 截水墙 + 排水渠现场效果图
3.3. 陡坡浇筑
在图4所示工程案例中，基于场地以岩石层为主的地质条件，水保措施采用三道混凝土挡墙作为主要防护结构，因岩石透水性较弱，未设置排水沟；同时，为确保管线稳定性，采用整体浇筑方式将管线嵌入山体。考虑到坡体陡峭，若采用浆砌石护面，其自重可能对坡面产生过大附加荷载，引发整体失稳风险，故未设置浆砌石护坡。该方案在一定程度上兼顾了地质特性与工程安全需求。
然而，工程实践表明，现有防护体系存在缺陷。因挡墙及截水墙布设数量不足，难以有效约束山体破碎区域，导致坡面岩体在风化、降雨等因素作用下破碎程度加剧，存在潜在崩塌风险。这种状况不仅影响区域水土保持效果，更对管线长期安全运行构成威胁。
针对此类问题，提出系统性优化策略：其一，优先推荐采用定向钻或单边定向钻等非开挖技术，最大限度减少对原坡面的扰动，从源头上规避因开挖施工引发的地质灾害风险；其二，若受工程条件限制无法采用非开挖技术，需重新评估并优化挡墙与截水墙设计方案，适当增加其布设密度与结构强度。同时，采用灰土或水泥土夯填技术对开挖区域进行回填处理，通过增强土体密实度与整体性，效果会更好。
3.4. 台地排水沟
在黄土塬、台地等地形区域，为实现水流集中导流，降低水流漫滩对管沟上方覆土的冲刷风险，工程中普遍采用排水沟作为水工保护措施。该措施通过规范水流路径，减少坡面水流对覆土的侵蚀，从而保障管道设施的稳定性。
然而，实际调研结果显示，已实施的排水沟工程与设计预期存在显著偏差。由于目前大部分黄土地区植被覆盖率低，无法减少直接撞击土壤的降雨量，无法对土壤的稳定性参数和渗透参数产生积极影响，进度降低了土体的抗剪强度[8] [9]，因此，部分排水沟不仅未能发挥保护作用，反而加剧了管道周边土体流失问题。以图5所示工程为例，排水沟下方土体因长期受水流冲刷，70%的排水沟已出现严重掏空现象，对管道安全构成直接威胁。分析其原因，主要在于排水系统设计未能有效引导坡面径流，致使水流对排水沟基础及周边土体产生持续侵蚀。
Figure 4. On-site effect diagram of slope bottom retaining wall + steep slope pouring
图4. 坡底挡墙 + 陡坡浇筑现场效果图
针对上述问题，提出以下优化方案：一是在排水沟上游末端设置多条引水渠，主动引导山坡径流集中汇入排水沟，有效缩短水流汇入路径，降低因水流分散形成落水洞的风险；二是合理降低排水沟高程，确保沟道具有足够的纵向坡度，提升排水效率，减少水流在沟内的滞留时间，从而增强排水沟的整体抗冲刷能力，切实保障管沟及管道设施的安全稳定。
Figure 5. On-site effect diagram of some drainage ditches in loess tableland and loess platform area
图5. 黄土塬及黄土台地部分排水沟现场效果图
3.5. 大型河流开挖穿越水保方案
在大型河流穿越工程中，非开挖穿越技术因对河道生态扰动小、施工风险可控，成为首选方案。然而，受地质条件、工程可行性等因素限制，当必须采用开挖穿越方式时，水保措施的设计需充分考虑水流消能问题，以降低水流冲刷对工程结构及河道生态的影响，常见的河沟道水工防护措施主要有修建浆砌石或石笼护岸、上游修建齿墙、下游修建防冲墙、上方修建过水面等[10]，尤其是浆砌石过水面、防冲墙或挡墙因取材方便，成本低得到广泛应用，但在极端条件下这种结构材料暴露出的一些结构性问题的缺点，如石材内部存在裂缝、水泥砂浆配合比不当、抗渗性差、抗风化能力差等，在极端降雨时损坏通常及其严重[11]-[13]。
以图6所示工程为例，该项目采用上下游各一道防冲墙、防冲墙间钢筋混凝土过水面及防冲墙下游石笼护坦的水保方案。但在实际运行中，遭遇强水流冲击时，因消能设计不足，部分地段防冲墙被冲断，钢筋混凝土过水面近40%出现严重掏蚀塌陷，对穿越管道安全构成重大威胁。图7所示的修复方案采用修补防冲墙、混凝土过水面结合三阶石笼护坦的方式，并在河道中部原防冲墙下游实施加固措施，采用钢筋混凝土墩、梁、板结构体系。但该方案抗冲刷性能较弱，在水流冲击下，仍有40%混凝土板被冲走，残存混凝土板改变水流路径，反而加剧了对原防冲墙底部的掏蚀作用，且仍未能有效解决高流量工况下的水流冲击问题。
Figure 6. On-site effect diagram of anti-scour wall + reinforced concrete overflow surface between anti-scour walls + gabion apron downstream of anti-scour wall
图6. 防冲墙 + 防冲墙间钢筋混凝土过水面 + 防冲墙下游石笼护坦现场效果图
Figure 7. On-site effect diagram of anti-scour wall + concrete overflow surface + three-stage gabion apron
图7. 防冲墙 + 混凝土过水面 + 三阶石笼护坦现场效果图
对比之下，图8所示工程采用混凝土防冲墙、下游混凝土护坦与0.5 m3消力墩相结合的方案，通过消力墩对水流进行有效消能，改变水流形态，降低冲刷力。经多年工程实践及多次洪水考验，该方案在抵御水流冲刷、保障工程结构安全方面表现优异，验证了科学消能设计对大型河流穿越工程水保措施的关键作用。由此可见，在开挖穿越工程中，防冲墙应采用连续布设形式，避免因结构隔断形成水流冲刷薄弱点；同时，需强化消能设计，合理配置消力墩、护坦等设施，构建完善的水流消能防护体系，从而实现工程安全与河道生态保护的双重目标。
Figure 8. On-site effect diagram of concrete anti-scour wall + concrete apron downstream of the anti-scour wall + stilling pier
图8. 混凝土防冲墙 + 防冲墙下游混凝土护坦 + 消力墩现场效果图
4. 中国西部地区长输管道水工保护建议
在既往水工保护项目实践中，柔性材料及工艺的应用显著提升了设施对复杂环境的适应能力[14]-[17]。针对冻融循环及地形沉降等地质作用，柔性生态袋边坡防护体系能够展现出良好的形变协调性能，且由于其价格的经济性、对环境的友好性，在各类工程建设中发挥了重要价值[18]，且在湿陷性黄土及戈壁区域，柔性防护结构凭借其独特的变形缓冲机制，较传统刚性结构更能抵御落水洞侵蚀与地基掏空风险，对管道悬空等隐患形成有效防护屏障。
然而，材料特性决定其应用存在局限性。由于自身刚性不足，柔性防护结构在长期服役过程中易出现显著位移变形，极端工况下甚至引发局部坍塌；同时，材料老化问题也对其耐久性构成挑战，直接影响工程结构的使用寿命。
1) 水工保护应从“截–排–疏”一体化网络进行考虑；
2) 截水墙效果对实现黄土陡坎地区水工保护作用极其明显，有工程措施截水墙的年径流量和年土壤侵蚀量分别是无截水墙的61%和33% [19]；
3) 在较短陡坡段敷设，灰土/水泥土夯填 + 截水墙效果较刚性混凝土浇筑更好，尤其湿陷性黄土地区；
4) 对于大型河流开挖穿越，应考虑极端天气大洪水流量下的消能措施；
5) 对于大型水工保护及水土保持工程(如图3)，应进行必要的监测措施，并遵循：① 监测点具有代表性；② 点位数量全面性，必要时增设监测点位及监测内容；③ 对于水土流失严重区域，监测结果精确度要高[20] [21]。
基金项目
国家管网集团西部管道有限责任公司科技项目(XG-JCGL-CX-KJXX-01-JL-03)。